恒温恒湿箱选型指南

                                             恒温恒湿箱选型指南

一、 设备选择依据
　　存在于地球表面及大气层空间中的自然环境因素和诱发环境因素的种类，目前还无法统计出个确切的数目。其中对工程产品（设备）的使用及寿命影响较大的因素不下几十种。从事工程产品环境条件研究的工程师们将自然界存在以及人类活动所诱发的环境条件整理归纳为一系列的试验标准和规范，用以指导工程产品的环境及可靠性试验。如指导军工产品进行环境试验的GJB150—中华人民共和国国家军用标准《军用设备环境试验方法》,指导电工电子产品进行环境试验的GB2423—中华人民共和国国家标准《电工电子产品环境试验方法指南》等。因此，我们选择环境及可靠性试验设备时主要的依据是工程产品的试验规范和试验标准。
　　其次，为了规范试验设备中环境试验条件的容差，保证环境参数的控制精度，国家技术监督机构及各工业部门还制订了一系列的环境试验设备及检测仪器仪表的检定规程。如中华人民共和国国家标准GB5170《电工电子产品环境试验设备基本参数检定方法》,又如国家技术*颁布实施的JJG190-89《电动振动试验台系统试行检定规程》等。这些检定规程也是选择环境及可靠性试验设备的重要依据,不符合这些检定规程要求的试验设备是不允许投入使用的。
二、 设备选择基本原则
环境及可靠性试验设备的选择应遵循以下五条基本原则：
1． 环境条件的再现性
　　在试验室内完整而地再现自然界存在的环境条件是可望而不可及的事情。但是，在一定的容差范围之内，人们*可以正确而近似地模拟工程产品在使用、贮存、运输等过程中所经受的外界环境条件，这段话用工程的语言概括，就是“试验设备所创造的围绕被试产品周边的环境条件（含平台环境）应该满足产品试验规范所规定的环境条件及其容差的要求”。如用于军工产品试验的温度箱不仅要满足国军标GJB150.3-86、GJB150.4-86中根据不同类型产品所规定的高温、低温的试验量值、试验时间，同时也应满足试验规范中对温度场的均匀性和温度控制精度的要求。只有这样，才能保证在环境试验中环境条件的再现性。
2． 环境条件的可重复性
　　一台环境试验设备可能用于同一类型产品的多次试验，而一台被试的工程产品也可能在不同的环境试验设备中进行试验，为了保证同一台产品在同一试验规范所规定的环境试验条件下所得试验结果的可比较性，必然要求环境试验设备所提供的环境条件具有可重复性。这也就是说，环境试验设备施用于被试验产品的应力水平（如热应力、振动应力、电应力等）对于同一试验规范的要求是一致的。
　　环境试验设备所提供环境条件的可重复性是由国家计量检定部门依据国家技术监督机构所制定的检定规程检定合格后提供保证。为此，必须要求环境试验设备能满足检定规程中的各项技术指标及精度指标的要求，并且在使用时间上不超过检定周期所规定的时限。如使用非常普遍的电动振动台除满足激振力、频率范围、负载能力等技术指标外，还必须满足检定规程中规定的横向振动比、台面加速度均匀性、谐波失真度等到精度指标的要求，而且每次检定后的使用周期为二年，超过二年必须重新检定合格后才能投入使用。
3． 环境条件参数的可测控性
任何一台环境试验设备所提供的环境条件必须是可观测的和可控制的，这不仅是为了使环境参数限制在一定的容差范围之内，保证试验条件的再现性和重复性要求，而且从产品试验的安全出发也是必须的，以便防止因环境条件失控导致被试产品的损坏，带来不必要的损失。目前各种试验规范中大体要求参数测试的精度不应低于试验条件允许误差的三分之一。
4． 环境试验条件的排它性
　　每一次进行的环境或可靠性试验，对环境因素的类别、量值及容差都有严格的规定，并排除非试验所需的环境因素渗透其中，以便在试验中或试验结束后判断和分析产品失效与故障模式时，提供确切的依据，故要求环境试验设备除提供所规定的环境条件外，不允许对被试产品附加其它的环境应力干扰。如电动振动台检定规程中所限定的台面漏磁，加速度信噪比、带内带外加速度总均方根值比。随机信号的检验、谐波失真度等精度指标都是为了保证环境试验条件的*性而制定的检定项目。
5． 试验设备的安全可靠性
　　环境试验，特别是可靠性试验，试验周期长，试验的对象有时是价值很高的军工产品，试验过程中，试验人员经常要在现场周围进行操作或测试工作，因此要求环境试验设备必须具有运行安全、操作方便、使用可靠、工作寿命长等特点，以确保试验本身的正常进行。试验设备的各种保护、告警措施及安全联锁装置应该完善可靠，以保证试验人员、被试产品和试验设备本身的安全可靠性。

三、 温湿度箱的选择
1． 温湿度箱容积的选择
　　将被试产品（元器件、组件、部件或整机）置入气候环境箱进行试验时，为了保证被试产品周围气氛能满足试验规范所规定的环境条件，气候箱工作空间尺寸与被试产品外廓尺寸之间应遵循以下几点规定：
　　a） 被试产品的体积（W×D×H）不得超过试验箱有效工作空间的（20-35）%（推荐选用20%）。对于在试验中发热的产品推荐选用不大于30% 。
　　b） 被试产品的迎风断面积与该断面上试验箱工作腔总面积之比不大
于（35-50）%（推荐选用35%）。
　　c） 被试产品外廓表面距试验箱壁的距离至少应保持100-150mm，
（推荐选用150mm）。

2． 温度范围
　　目前，国外温度试验箱的温度范围大体上为（-73 ~ +177℃）或（-70 ~ +180℃）。国内多数厂家为（-70 ~ +120℃），也有高温到150℃。这个温度范围通常可以满足辆绝大多数军用、民用产品温度试验的需要，除非确有特殊需要，如安装位置靠近发动机等热源的产品外，不可盲目利用的工作腔体积也就越小。另一方面，上限温度越高，对箱壁夹层中保温材料（如玻璃棉等）的耐热性要求也越高。箱体密封性的要求也越高，使箱体的制作成本增加。
3． 湿度范围
　　国内外环境试验箱给出的温度指标大体上都是20~95%RH或20~98%RH，其实这两个指标是*一致的，因为湿度控制精度通常为±（3~5）% RH,而zui大湿度只可能是100% RH,值得注意的是在湿度指标后面应该注明相应的温度范围,或给出zui低露点温度.因为相对湿度是与温度直接相关的,对于同样的含湿量,温度越高,相对湿度就越小,如含湿度量d为5g/kg （指1公斤干空气中含有5克的水蒸汽）,当温度为29℃时,相对湿度为20% RH,温度为6℃时,相对湿度为99% RH,当温度降至4℃以下,相对湿度超过100%,在箱体内会出现结露现象。

　　实现高温、高湿只需要往箱体空气中喷水蒸汽或雾化的水珠，进行加湿。低温低湿则相对难于控制，因为此时的含湿量很低，有时比大气中的含湿量低很多，需要对箱体内流动空气除湿，使空气变得更干燥。目前国内外绝大多数的温湿度箱都是采用制冷除湿的原理，是在箱体的空气预调室内加一组制冷光管。当湿空气经过冷管时，其相对湿度会达到100% RH，因空气饱和在光管上结露，使空气变得更干燥。这种除湿方式理论上可达到零度以下的露点温度，但是当冷点表面温度到达0℃以下。实际所达到的zui低露点温度为5~7℃。露点温度5℃相当于含湿量为0.0055g/kg ，对应相对湿度20%RH 的温度为30℃。如果要求温度20℃时相对湿度达到20% RH ，此时的露点温度为-3℃，采用致冷方式除湿是很困难的，必须选用空气干燥系统才能实现。
4． 风速
　　有关标准规定，进行环境试验时温湿箱内的风速应小于1.7m/s，风速过大会加速试验件表面与箱体内流动气流的热交换，于试验不利，但是在温度、湿度、振动等多因素综合环境试验中，为追求高的变温速率，必须加快箱体内循环气流的流速，风速通常在2.5~3.0m/s。因此，对于不同的使用目的，风速的限制是不一样的。
5． 温度场
　　为了更正确地模拟产品在自然界所遭受的实际环境状况，在环境试验中必须保证被试产品的周边能处在同一温度环境条件下，为此，必须对试验箱内的温度梯度和温度的波动度加以限制。在国军标GJB150.1-86军用设备环境试验方法总则中明确规定“试验样品附近测量系统的温度应在试验温度的±2℃以内,其温度梯度不超过1℃/m或总的zui大值为2.2℃（试验样品不工作）”。如上面所述，对温度场的要求包括三个方面：
　　a） 温度量值的准确性。
试验规范给定的是试验温度名义值（标称温度值），试验设备测出的是温度场中心蹼（或出风口、回风口） 试验温度实际值（工作空间指示点温度），这两者之间存在一个误差。
　　b） 温度波动度。
　　温度实际值的数据不是一个常值，是一个随时间的延续上下波动的量，用时间统计平均可以得到一个数学期望值（均值），和一个标准差。

　　按试验规范的要求，上述两项，即包含数学期望值与名义值的误差即系统误差）加上标准差（即随机误差）的总和（温度控制精度）不大于所规定的误差范围，GJB150.1-86中规定为±2℃。
　　按国标GB/T5170.1-1995规定试验箱的温度偏差是指试验箱在稳定状态下，工作空间各测试点在规定时间内实测zui高温度和zui低温度与标称温度的上下偏差。高温温度偏差不大于±2℃，低温温度偏差不大于±3℃。
　　c） 温度场梯度。
　　这个指标是控制箱体内温度场的均匀性。也就是在空间的延拓上保证被试产品周边的温度具有一致性。国军标GJB150中规定温度梯度为1℃/m的要求通常用于3m3以上的试验箱，而zui大值为2.2℃则多用3m3以下的试验箱。
　　从理论上讲，温度梯度对所有的产吕试验都适用，但是在风速大于1.7m/s的试验箱内，由于流场内气流旋窝作用增强，流场的均匀性变坏，很难达到国军标GJB150要求。另一方面，在追求高变温速率（如大于10℃/m）的试验箱内，必需加大气流的风速（大于2m/s），此时被试产品迎风面和背风面的温差随着风速的增大而增加，因此，在有关试验规范及检定规程中对追求高变温速率的温湿度箱没有提出严格的温度场均匀性的要求。当然对于环境试验设备制造商而言，都在努力实现高的变温速率和好的温度场均匀性兼而有之的产品，以满足用户的要求。如美国环测公司（Envirotronics）生产的温湿度箱，变温速率15℃/m时，温度场的均匀性在±2.2℃之内。
6． 湿度的精度控制。
　　环境试验箱中测量湿度多数是采用价格低廉的干湿球法，在高湿（80~100%RH）情况下，干湿球温差1℃，对应于相对湿度相差5%左右。根据测试装置的精度不应低于试验条件允差三分之一原则（见国军标GJB150.1-86），温差1℃要求干球和湿球本身温度测量的允差为±0.7℃，则温度的测量精度液压达到0.2℃。依此类推，相对湿度误差为±3%RH。要求温度测量精度应达到±0.1℃。故采用干湿球法测量相对湿度的误差通常为±（3~5）% RH，温度测量精度如此，湿度的控制精度也就可想而知了。
　　为克服干湿球法测量精度不高，且受人为操作影响过大的缺点，近十几年固体式湿度敏感头（如电容式湿度传感器）在解决了低温（-55~70℃）下使用的问题后，已开始应用到环境试验设备中，其测量精度可达到±1~3%RH。美国不测公司生产的温湿度箱均已配置固体式湿度传感器。
　　湿度的控制精度除了受测湿手段制约外，还与加湿方式有关，在环境试验箱中加湿的方法很多，通用的有以下三种：
　　1） 水盘式加湿。分为自然蒸发和电加热蒸发，此种加湿方法加湿的速率慢。控制精度较低，多适合于恒温恒湿箱。
　　2） 喷蒸汽加湿。加湿的速率快，但加湿的波动度大，容易实现快速控制，控制精度较好，但由于喷入100℃蒸汽，对箱内的温度状态会产生少量的干扰。
　　3） 喷雾化的水。雾化水的微粒直径大体在10~50μ此种方法具有喷蒸汽加湿的优点，又不需要外置蒸汽锅炉，并且可以调整喷水微粒的温度和箱体内试验温度相同，是一种比较好的加湿方式。
7． 露点温度选择
　　露点温度是指在给定的含湿量不变的条件下，使湿空气冷却到饱和状态（相对温度为100% RH）时的那个温度。因此，给出了空气状态的露点温度，也就给出了空气的含湿量，从空气的焓——湿图就可以查到对应此含湿量时不同温度下的相对温度值。露点温度越低，说明箱体内空气的含湿量越小，对应同一温度下的相对湿度也越小。一个温湿度环境试验箱所能达到的zui低露点温度与所采用除湿方式有关，通常采用的制冷除湿的办法，zui低露点温度约为5~7℃，经过长时间的稳定除湿，露点温度也可到达2~5℃，若一定要求露点温度到达0℃以下，则需要采用固体吸湿剂或液体吸湿剂等附加装置，或其它干燥除湿装置。